35 kV 2000 A低溫絕緣高溫超導電力電纜示范工程

魏　東， 宗曦華， 徐　操， 應啟良

（上海電纜研究所，上海200093）

35 kV 2000 A低溫絕緣高溫超導電力電纜示范工程

魏東， 宗曦華， 徐操， 應啟良

（上海電纜研究所，上海200093）

2013年12月9日，中國首條冷絕緣高溫超導電纜系統在寶山鋼鐵股份有限公司投入實際供電線路，為二煉鋼電爐進行供電。該超導電纜系統額定容量為120 MVA（額定電壓35 kV，額定電流2000 A），長度50 m，三相超導材料均采用AMSC提供的二代高溫超導帶材，超導電纜系統采用高端智能控制與通訊技術，實現了無人電站的遠程化控制。

低溫絕緣高溫超導電纜；大容量；線路運行示范工程；生命周期成本研究

0 引 言

在中國，經濟的飛速增長需要可靠、持久的電力基礎設施。特別是在人口密集的經濟、貿易和政治中心的城市地區，對電力負荷容量的要求越來越大，任何重大的電力中斷事故，都會對其經濟和安全產生嚴重的影響。通常來講，中心城區地下空間擁擠，電網改造費用極高，超導電纜為此提供了絕佳的解決方案。與傳統電力電纜相比，超導電纜體積小、容量大、損耗低、安全穩定性強，故障狀態下可兼具限流器作用，同時超導電纜具有良好的電磁屏蔽功能，不會干擾其它的地下設施［1，2］。與常規大截面銅芯電纜相比，高溫超導電纜重量輕，綜合土建安裝成本較低，而土建安裝成本一直都在電纜項目成本中占很大的一部分［3］。

上海電纜研究所（以下簡稱上纜所）早在20世紀70年代就開展過低溫超導電纜的研究，2003年開始進行高溫超導電纜的研究工作。2010年，上纜所成功研制了首套低溫絕緣高溫超導電纜系統用于實驗研究，該實驗系統通過了35 kV電纜型式試驗。從2010年開始，上纜所與其他單位合作，對超導電纜系統進行了設計優化，成功開發了額定容量為120 MVA（額定電壓35 kV，額定電流2000 A）、長度為50 m的低溫絕緣（簡稱CD絕緣）高溫超導電纜系統，并于2013年12月在寶山鋼鐵股份有限公司投入實際供電線路，為二煉鋼電爐進行供電，成為國內首條示范運行的CD絕緣高溫超導電纜系統。截至目前，該系統運行狀態良好。

1 高溫超導電力電纜研發經歷的三個階段

國際上，高溫超導電力電纜研發大體經歷了三個階段［4］。

第一階段：高溫超導電纜的初步探索研究階段

20世紀80年代后期，隨著BSCCO高溫超導帶材技術的發展，開始出現對高溫超導電纜的研究，包括超導電纜結構的研究［室溫絕緣結構（簡稱WD）、CD結構等］、超導電纜傳輸特性研究、超導電纜電氣性能研究等。在國內，北京、上海的大學和科研院所也進行了相關研究。

第二階段：CD絕緣高溫超導電纜的研究階段

1999年底，美國Southwire開發研制的30 m、三相、12.5 kV/1.25 kA冷絕緣高溫超導電纜并網運行，向高溫超導技術實用化邁出了堅實的一步。其后，日本、韓國、德國等也都紛紛投入到CD絕緣高溫超導電纜的研究中。上纜所于2003年開始進行CD絕緣高溫超導電纜的研究。

第三階段：CD絕緣高溫超導電纜示范性工程研究階段

進入到21世紀，各國開始超導電纜示范性工程項目研究。目前，世界上成功掛網示范運行的CD絕緣高溫超導電纜項目且影響較大的有：

（1）美國Superpower開發了Albany 350 m （34.5 kV/800 A）項目，2006年完成。韓國KEPRI研發了100 m的（22.9 kV/1250 A）CD絕緣高溫超導電纜示范項目。

（2）2008年，美國AMSC公司與耐克森公司合作，在紐約長島電力局成功完成高溫超導電纜示范項目，長度為600 m，138 kV，電流可達到3 kA。

此外，2013年，上纜所牽頭建成的國內首套35 kV、CD絕緣高溫超導電纜系統在上海掛網運行，標志著我國在實用CD絕緣高溫超導電纜技術中獲得重大突破，成為國際上少數成功建設CD絕緣高溫超導電纜示范工程的國家。

上述三個階段所采用的導體材料經歷了從第一代超導帶材向第二代超導帶材的轉變（見表1、表2）。

表1　應用第一代超導帶材作為導體的電力電纜

表2　應用第二代超導帶材作為導體的電力電纜

2003年，上纜所再次啟動超導電纜的研究工作，經過幾年的基礎研究及準備工作后，2005年8月，由上纜所牽頭，組織大學、電纜廠等單位的行業專家，進行以“高溫超導電纜工程技術應用與產業化研究”為最終目標的超導電纜的前期項目攻關——分別采用第一、二代高溫超導帶材及CD絕緣超導電纜系統的研究和開發，于2011年初，成功研制出35 kV/2000 A、30 m CD絕緣高溫超導電纜系統（含電纜、終端和低溫系統），并順利通過了系統型式試驗，這也是國內首根自主研發成功的CD絕緣高溫超導電纜系統。2013年，以上纜所牽頭的項目團隊，建成國內首套CD絕緣高溫超導電纜系統，通過了竣工實驗，并上線運行，標志著我國在實用CD絕緣高溫超導電纜技術中獲得重大突破，成為國際上少數成功建設低溫絕緣高溫超導電力電纜示范工程的國家。上纜所的研發成果在性能指標上已經達到世界先進水平，其部分關鍵電氣性能指標達到世界領先水平。

2 低溫絕緣高溫超導電纜結構

與室溫絕緣高溫超導電纜不同，低溫絕緣高溫超導電纜的結構主要由以下幾部分構成：電纜線芯最內側為襯心，是超導導體繞制的骨架；襯心外是超導導體層，為多層超導帶材按電流均流分布設計節距［5，6］繞制而成；超導導體外為絕緣層，絕緣材料采用PPLP材料；PPLP絕緣層外為屏蔽層，屏蔽層由一層超導帶等組成。電纜線芯外為絕熱管和護套，起到絕熱和保護電纜線芯等的作用。電纜結構詳見圖1。

圖1　CD絕緣高溫超導電纜結構

3 超導電纜系統測試及研究

為確保超導電纜系統的運行安全，對電纜進行了一系列試驗測試研究。首先在該批電纜末端，截取了12m超導電纜樣品，與研制的35 kV/2000A的兩套終端連接組成“U”形試驗回路，并對該超導試驗回路進行了各項試驗研究工作。

雖然許多抗生素有效，但由于細菌的耐藥性，本病臨床治療效果不明顯。實踐中選用普殺平、強化抗菌劑、帝諾、氟甲砜霉素肌肉注射或胸腔注射，連用3 d以上；飼料中拌支原凈、強力霉素、氟甲砜霉素或北里霉素，連續用藥5～7 d，有較好的療效。有條件的最好做藥敏試驗，選擇敏感藥物進行治療?？股氐闹委煴M管在臨床上取得一定成功，但并不能在豬群中消除感染。

3.1主要電性能試驗

參考標準GB/T 12706和IEC 60840，開展了以下主要電性能試驗（見表3），其他研究試驗內容另見專題文章。

3.2系統耐壓力試驗

對該試驗系統進行了壓力測試試驗，系統耐壓性能符合設計要求。超導電纜系統的各項參數在壓力測試前后無明顯變化。

表3　主要電性能試驗及結果

3.3臨界電流測試實驗（77 K）

在77 K溫度條件下，采用四引線法對研制的超導電纜臨界電流進行了測試，測得樣品電纜的臨界電流為3350 A，測量結果如圖2。

圖2　超導電纜臨界電流測試

3.4超導電纜系統損耗測試實驗（77 K）

采用卡路里測定方法，開發了一套專門用于測量超導電纜交流損耗和熱損耗的測試設備（見圖3），設備通過量氣法測量超導電纜及終端的交流損耗和熱損耗。經過測試，超導電纜絕熱管的熱損耗約為2W/m，2000 A負載下超導電纜的交流損耗約為1.2W/m，每套超導終端的熱損耗為200 W。

圖3　超導電纜交流損耗和熱損耗的測試設備

超導電纜系統在工程現場敷設安裝完成后，進行了竣工試驗：三相50 m超導電纜及終端，施加交流電壓42 kV，時間為1 h，試驗通過。圖4為上海35 kV 2000A CD絕緣高溫超導電纜系統示范工程現場圖片。

圖4　CD絕緣高溫超導電纜系統示范工程現場圖片

4 系統維護和運行情況

系統配備了一套完備的制冷系統和監控系統。液氮在三相電纜中采用兩進一回方式流動，電纜進出口溫差＜2K。制冷機等關鍵部位執行元件的選型滿足長壽命要求。充分利用工業自動化控制器的穩定性，以計算機、數據庫、互聯網技術為紐帶，搭建了可靠性高的服務器雙機容錯系統和監控軟件，實現了現場設備和后端監控中心的連接以及監控機制的軟件化管理，為評估和研究超導電纜運行狀態提供基礎參數。在日常運行中，超導電纜系統短時負荷的有效值約為1800A，最大電流超過2000A；大量的脈沖負載對超導電纜系統的可靠性提出了更高的要求。上海超導電纜示范工程運行的負載情況如圖5所示。在圖5中，也展示了國際上著名的美國奧爾巴尼工程運行期間的一段負荷情況。從圖5中可以看出，上海超導電纜示范工程運行的負荷遠大于奧爾巴尼工程項目負荷。

圖5　上海超導電纜示范工程運行的負載情況

5 結束語

未來十年，超導電力電纜要想實現產業化，必須要明確如下事項和突破相關的關鍵技術：

（1）超導電力電纜系統只有基于大容量的設計才有經濟實用價值，電力容量是電流與電壓的乘積，因此不能僅考慮電流的大小或電壓等級的高低。

（2）基于大容量設計的超導電力電纜系統僅僅通過傳統電力電纜型式試驗遠遠不能滿足電力用戶

的需求，需要開展大量的非標試驗和研究，包括終端（另見專題文章）、電纜本體、制冷系統、監控系統設計及研發，僅試驗排序時間不少于3～5年。

（3）超導電力電纜絕緣結構采用CD絕緣是大勢所趨。目前，尤其在2005年以后，美、日、法、德、韓等國一流電纜企業研制超導電力電纜均采用CD絕緣結構。上纜所在2008年完成采用第一代超導帶材國內首套35 kV、CD絕緣超導電力電纜主要電氣型式試驗后，一直采用第二代帶材開展CD絕緣超導電纜研究工作。

（4）采用LCC模型進行研究是大容量超導電力電纜系統研究的關鍵核心技術，也是解決超導電力電纜經濟性和長期可靠性的必由之路，其研究樣本的數量和研究所需的時間將是目前常規電氣實驗的數倍甚至十余倍。關于開展超導電纜的LCC研究工作，日本斷斷續續進行了十余年，美、法、德、韓曾見零星報道，上纜所已連續進行八年，預計后續的LCC研究工作還將至少需要五年時間。

（5）大容量超導電力電纜系統的開發是多學科、多領域的交叉復合，其研究難度高、投資大、時間長、研發人員多、涉及設備多而雜，遠遠超過預期。在本項目十余年連續不斷的研發過程中，得到了上海市科委大力支持與大量資助，上海電纜研究所牽頭組織上海三原、寶鋼、上海市電力設計院有限公司等多家單位共同開發，上海交通大學、上海大學、上海電纜廠、上海市電力公司和上纜所開發中心、國家線纜檢測中心、國家特種電纜重點實驗室、中聯公司、光電纜公司及其他省市等眾多兄弟單位也參與了項目部分研究工作，這是上海超導聯盟各成員單位大協作的成果。

［1］ Rieger J，Leghissa M.AC losses in a flexible 10 m long conductor model for a HTS power transmission cable［J］.Physica C，310（1998）：225-230.

［2］ Moutassem W，Anders G J.Configuration optimization of underground cables for best ampacity［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2010，25（4）：2037-2045.

［3］ 應啟良，黃崇祺，魏 東.高溫超導電纜在城市地下輸電系統應用的可行性研究［J］.低溫物理學報，2003（10）：370-377.

［4］ 宗曦華，魏 東.高溫超導電纜研究與應用新進展［J］.電線電纜，2013（5）：49-53.

［5］ 趙 臻，邱 捷，王曙鴻等.高溫超導交流電纜電流分布及結構優化的研究［J］.西安交通大學學報，2004（4）：352-356.

［6］ Sytnikov V.E，Dolgosheev P.I，Svalov G.G，et al.Influence of the multilayer HTS cable conductor design on the current distribution［J］.Physica C，310（1998）：387-391.

［7］ GB/T 12706—2002 額定電壓1 kV（Um=1.2 kV）到35 kV （Um=40.5 kV）擠包絕緣電力電纜及附件［S］.

［8］ IEC 60840—2004 Power cables with extruded insulation and their accessories for rated voltages above 30 kV（Um=36 kV）up to 150 kV（Um=170 kV）Test methods and requirements［S］.

Demonstration Project of 35 kV 2000 A Cold Dielectric High Temperature Superconductive Power Cable System

WEI Dong，ZONG Xi-hua，XU Cao，YING Qi-liang
（Shanghai Electric Cable Research Institute，Shanghai200093，China）

In December9th，2013，China’s first Cold Dielectric High Temperature Superconductive（CD HTSC）cable system was put into practical power lines and laid in Baoshan iron&steel Co.，Ltd（Baosteel），supplying power for the second EAF.The rated capacity of the system is120MVA（rated voltage35 kV，rated current2000 A）。The system is a three-phase system and the cable’s length is50 m for each phase.The superconducting tape in the cable is 2G HTS tapes，provided by AMSC.By employing high-intelligent control and communications technology，an unmanned remote control power station has been built.

CD HTSC cable；high capacity；line running demonstration project；life cycle cost（LCC）

TM249.7

A

1672-6901（2015）01-0001-04

2014-08-25

魏 東（1960-），男，教授級高工，所長.

作者地址：上海市軍工路1000號［200093］.